《Applied Soil Ecology》：Biochar and manure amendments mitigate chemical-fertilizer-induce negative effects on soil microbiomes, with implications for crop productivity gain
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长期化学施肥导致土壤微生物多样性下降，而生物炭与有机肥结合可缓解负面影响，增强菌群稳定性及功能多样性，促进作物产量与养分吸收。
潘江|黄浩|胡金梦|王琳琳|张玉萍|荣向民|彭建伟|罗公文
湖南农业大学资源学院，长沙，410128，中国
摘要
有机肥料和生物炭的联合施用已被证明具有提高土壤肥力和粮食产量的优势，同时还能保持环境效益。然而，上述联合施用对作物产量提升的地下微生物机制仍不够明确。为此，我们进行了一项长达十年的田间研究，比较了仅施用化学肥料与施用有机改良剂对根际和非根际土壤微生物群落及功能的影响，以及这些变化对作物产量的影响。研究结果表明，长期仅施用化学肥料显著降低了土壤微生物多样性，而生物炭和有机肥的施用缓解了这种多样性下降的趋势。此外，与不施用肥料或仅施用化学肥料相比，生物炭和有机肥的施用能够增强土壤微生物群落的复杂性和稳定性。有趣的是，生物炭和有机肥的施用补充了因长期仅施用化学肥料而消失的某些参与养分循环的微生物群落，同时降低了根际和非根际土壤中的微生物致病潜力。这些微生物群落和功能的积极变化与有机改良剂引起的土壤物理化学性质变化密切相关，这在一定程度上促进了作物的生长和养分吸收。总体而言，本研究强调了将生物炭和有机肥纳入农业生产的重要性，以减轻化学肥料对土壤生物的负面影响，从而进一步保障粮食生产和安全。
引言
土壤微生物组作为土壤生态系统的关键组成部分，在维持生态系统服务和稳定粮食生产方面发挥着重要作用（Hartmann和Six，2023；Tao等人，2023）。具体而言，土壤微生物组积极参与多种地下过程，如有机物分解、元素循环和植物病害抑制（Santoyo，2022；Tao等人，2023；Philippot等人，2024）。丰富的物种多样性、活跃的生长状态以及复杂的群落结构是微生物发挥其功能和提供生态系统服务的基础（Spragge等人，2023；Du等人，2025）。土壤微生物组的多样性、功能和网络结构已被广泛证明对外部干扰（如施肥）非常敏感（Jansson和Hofmockel，2020；Peng等人，2024）。因此，探索土壤微生物组对基于知识的施肥制度的响应方向和强度至关重要，因为这可能对粮食生产和生态系统服务产生长期影响，从而违背施肥的初衷。
在农业生产中，农民通常通过施肥来增加作物产量，以满足不断增长的全球粮食需求并提高经济效益（Hu等人，2024a；Li等人，2024）。化学肥料受到农民的青睐，因为它们含有大量可被植物根系快速吸收的有效养分，无论是直接吸收还是通过微生物转化。过去几十年（第一次绿色革命期间）化学肥料的大规模和集约化使用使作物产量大幅增加，至今仍满足了数十亿人的需求（Liu等人，2020）。然而，常规施用的化学肥料中的养分通常远超植物的吸收能力。大量未被植物吸收的化学物质在土壤中积累，导致土壤酸化、土壤团聚体结构破坏和养分保持能力下降等问题（Luo等人，2018；Hu等人，2024b）。随着时间的推移，持续的栖息地退化和/或环境压力会对土壤微生物及其行为产生负面影响，从而阻碍进一步提高作物产量的努力（Li等人，2024；Philippot等人，2024）。如今，人类迫切需要找到合理施肥的方法，以满足全球粮食需求，同时减少化学肥料对土壤功能的压力。
生物炭通常是一种细粒、轻质、黑色的蓬松有机材料，通过在作物收获后高温无氧条件下利用剩余的生物残余物制成（Hu等人，2024a）。目前，作为一种新型土壤改良剂，生物炭受到了全球科学家的广泛关注。许多研究发现，将生物炭施用于土壤可以改善土壤结构、减少养分流失并修复重金属污染（Khan等人，2023；Hu等人，2024a；Yang等人，2025）。同样，有机肥料（如有机肥）可以提供丰富的有机物和缓释养分，有助于提高土壤肥力和植物表现（Ji等人，2020；Hu等人，2024a）。总体而言，有机肥料或生物炭的应用比单独使用化学肥料更能同时提高作物生产力和生态系统服务（Zhang等人，2021；Hu等人，2024a）。然而，我们仍缺乏足够的认识来全面了解有机肥料和生物炭在缓解长期仅施用化学肥料对土壤功能的压力以及提高作物生产和生态系统服务方面的作用。
为了从土壤微生物学的角度探讨长期施用生物炭和有机肥的产量效益，我们进行了一项为期十年的田间实验（始于2013年）。我们的主要目标是：（1）研究根际和非根际土壤微生物组对仅施用化学肥料和有机改良剂的响应差异；（2）比较仅施用化学肥料和有机改良剂在微生物功能方面的差异；（3）揭示施肥对土壤微生物群落和功能与作物产量之间的关联。我们假设生物炭和有机肥的施用可以减轻长期仅施用化学肥料对土壤微生物群落和功能的不良影响，并促进作物生长和养分吸收。本研究旨在强调在粮食需求增加和全球气候变化背景下，将生物炭和有机肥料与化学肥料结合使用的重要性。
实验设计
这项长期试验始于2013年，位于中国长沙（28°19′ N, 113°49′ E）。土壤类型为冲积形成的淡水土壤。初始土壤样本的物理化学性质已在我们的先前研究中详细描述（Hu等人，2024a）。在十年的实验期间，该地区的平均降水量约为1430毫米，平均温度约为24°C。
试验包括以下五种处理方式：（1）CK，即不施用任何肥料
土壤微生物多样性和群落组成
CF处理组在根际和非根际土壤中的细菌丰富度显著低于CK处理组（图1A）。相应地，CFB、OF和OFB处理组的细菌丰富度高于CF处理组（图1A）。真菌丰富度与细菌丰富度的趋势相同，但这一趋势主要在根际土壤中观察到（图1B）。此外，CFB、OF和OFB处理组显著增加了根际和非根际细菌及真菌的物种异步性
有机改良剂可缓解长期化学肥料施用对土壤微生物多样性的潜在损失
微生物多样性对于维持土壤功能和生态系统服务（如养分转化、生物修复和植物生产）至关重要（Tang等人，2023；Wen等人，2023）。因此，保持高度多样化的土壤对于可持续农业生产至关重要。
结论
基于十年的田间实验数据，不同施肥制度下根际和非根际微生物组的多样性、群落结构、稳定性和功能潜力发生了显著变化。长期仅施用化学肥料可能导致土壤微生物多样性丧失、群落组成均质化、网络复杂性和稳定性下降，以及某些养分吸收功能的减弱
作者贡献声明
潘江：撰写初稿、数据可视化、软件使用、方法设计、数据分析、概念构建。黄浩：数据整理、概念构建。胡金梦：数据整理、概念构建。王琳琳：撰写与编辑、方法设计、数据分析、概念构建。张玉萍：撰写与编辑、方法设计、数据分析、概念构建。荣向民：撰写与编辑、方法设计
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
致谢
我们的工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFD1502200）、湖南省自然科学基金（项目编号：2024JJ6250）和国家自然科学基金（项目编号：42107262）的支持。
